🌑 시스템 프로그래밍

💫 1

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• 1.2 컴파일 시스템
  • 목적 프로그램
    • 재배치 가능 목적 프로그램 → 목적 파일
    • 실행 가능 목적 파일 → 실행 파일
  • Unix 컴파일
    • gcc -o hello hello.c
    • @ GNU Project
      • @ Free SW : “free” as in “free speech”, not “free beer”
• 1.3 컴파일 시스템의 이해
  • 프로그램 성능 최적화
    • 기계어 수준 코드 이해
    • switch vs if-else, while vs for
  • 링킹 에러의 이해r
    • Link-Time Error, Compile-Time Error
  • 보안 약점 회피
    • 버퍼 오버플로 버그 Buffer Overflow Bugs
    • 인터넷과 네트워크 상의 보안 약점 - security holes
• 1.4 컴퓨터 시스템 - 하드웨어 구성
  • CPU
    • CPU operations
    • 적재Load - 작업Operate - 저장Store - 점프Jump
  • The process of Loading “hello” Code from KeyBoard… @
  • The process of Loading Executable File from Disk to MainMemory… @
  • The process of Printing Output Stream from Memory to Monitor

• 1.8 Computer System & Network

• 1.9 Hot Topics
  • Amdahl’s law
    • 컴퓨터 시스템의 일부를 개선할 때 전체적으로 얼마 만큼의 최대 성능 향상이 있는지 계산하는 데 사용
    • 어떤 시스템을 개선하여 전체 작업 중 a%의 부분에서 k배의 성능이 향상되었을 때 전체 시스템에서 최대 성능 향상
    • → 뭘 최적화 시켜야 더 효율적인가?
  • 동시성 프로세스 : 하나의 프로세서에서 다수의 프로세스 실행
  • 하이퍼 스레딩
    • 하나의 프로세서가 두 개의 논리적 프로세스처럼 작동하도록 함
    • 컴퓨터 처리속도 향상
    • i7에 적용
  • Abstraction of Computer System
    • Virtual Machine - OS
      • Processes
        • Instruction Set Architecture - Processor
        • Virtual Memory - Main Memory
          • Files - I/O Devices

💫 2 Bits and Bytes

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• 정보 표현 : 비트
• 2진수/16진수
• 바이트 표현
• 불 대수
• C에서의 표기, C의 연산
  • 비트 단위 연산
  • 논리연산
  • 비트이동연산

🫧 2.1 정보의 저장

• 바이트 중심의 메모리 궝
  • 프로그램은 가상주소 Virtual Addresses로 표현됨
    • 개념상 아주 큰 바이트 배열
    • 각각의 바이트는 자신의 주소를 가짐
    • 모든 주소들 - 가상주소공간
  • 시스템은 특정 “프로세스”에 주소공간 Address Space을 제공
    • 프로세스-실행중인 프로그램
    • 프로그램은 자신의 데이터를 운영(다른 프로그램의 데이터는 다루지 않음)
  • 컴파일러+런타임시스템은 메모리 할당 Allocation
    • 각각의 프로그램 객체를 어디에 저장할 것인가?
      • 프로그램 개체: 프로그램 데이터, 명령, 제어정보 등
    • Multiple Mechanisms: static, stack, and heap
    • 어떠한 경우에도 단일 가상주소공간 내에 모두 할당

가상주소 = 논리주소

• 16진수 표현 : 바이트 값의 인코딩
  • Byte = 8 bits
    • Binary: 00000000 ~ 111111111
    • Decimal: 0 ~ 255
    • 2진수는 너무 길고, 10진수는 비트 패턴 변환이 어려움
    • 1바이트: Hexadecimal 00 ~ FF
      • 밑수 16 숫자 표현
      • Use Characters ‘0’ ~ ‘9’ ~ ‘A’ ~ ‘F’
      • Write FA1D37B in C as
        • 0xFA1D37B, 0xfa1d37b
        • 0xC97B = 1100 1001 0111 1011
• 컴퓨터의 Words
  • 컴퓨터는 워드크기를 갖는다
  • 정수 데이터나 주소의 명목상 크기
  • 현재 대부분의 컴퓨터는 32bits(4 Bytes) 워드
    • 4GB 바이트로 주소를 한정
    • 많은 메모리르 사용하는 응용에겐 작을 수 있음
  • 최신 시스템은 64Bits (8Bytes) Word
    • 16 Exabytes의 잠재적 주소 공간
    • x86 - 64 컴퓨터 48bit 주소 지원 : 256 Terabytes
  • 컴퓨터는 다수의 데이터 형식 지원
    • Typical 32-bit, Intel IA32, x86-64 별 데이터 크기
      • 특히 int, pointer
• 주소 지정과 바이트 순서
  • 다중 바이트 (e.g. intergers)에 표현되는 객체에 대하여, 다음 두 가지 사항 필요
    • 객체의 주소가 무엇인가?
    • 메모리 안에 바이트들을 어떤 순서로 배치 하는가:
  • 다중 바이트 객체
    • 연속된 바이트로 저장
    • 시작 주소: 사용된 바이트의 가장 작은 주소
• 워드 중심 메모리 구성
  • 주소는 바이트 위치 명세
    • 워드의 첫 바이트 주소
    • 연속된 워드의 주소는 다름
      • by 4 (32bit) ot 8 (64bit)
      • i.e. 32bit : 0000, 0004, 0008, 0012
      • i.e. 64bit : 0000, 0008
• Byte Ordering
  • 메모리에 바이트들으 정렬하는 방법
  • 규칙 Conventions
    • Big Endian : IBM, Sun
      • 최하위바이트 LSB가 가장 상위 주소에 배치
      • Come last
    • Little Endian : x86
      • 최하위바이트 LSB가 가장 하위 주소에 배치
      • Come First

@ 네트워크는 Big Endian 쓰기로
@ 달걀 사진?

• Byte Ordering Example
  • Example
    • 변수 x는 4Byte값 0x1234567
    • Address given by &x is 0x100
      • Big Endian : 01 23 45 67
      • Little Endian : 67 45 23 01
• Reading Byte - Reversed Listings
  • 역어셈블리 Disassembly
    • 이진 기계어 코드의 문자 표현
    • 기계 코드를 읽는 프로그램이 생성

@ 예시

포인터 값들은 컴퓨터에 따라 다름
Different compiler & machines assign different locations to objects

• Two’s complement representation (Covered Later)

• Solaris/SUN, Linux/x86-86, Linux/Alpha, IA32

• String의 표시
  • C에서 스트링 String
    • 문자들을 배열로 표시
    • 아스키 형식으로 인코드
      • 문자 집합을 표준 7-bit 인코딩
      • 문자 “0” = 코드 0x30
        • 10진수 숫자 n = 코드 0x30 + n
      • 문자열 String 은 null 값으로 종료
        • Final Character = 0x00
  • 호환성 문제
    • Byte Ordering 은 문제가 안됨
      • 데이터는 1 Byte 크기

• ASCII 코드 차트

• Different Machines Follow Different Conventions
  • Word Size
  • Byte Ordering
  • Representations (Integer, Floating-point)
• Whren Prograaming, Be Aware Of…
  • Type Casting & Mixed Signed/Unsigned Expressions
  • Overflow
  • Error Propagation
  • Byte Ordering

정보의 표현과 처리

2.1.5 코드의 표현

프로그램은 명령들을 그 순서에 맞게 부호화한 것이다.

명령은 산술연산, 메모리 읽기/쓰기, 조건 분기등의 개별적 단순 연산으로 구성된다.

명령은 바이트들로 부호화된다.
→ Alpha, Sun, Mac은 4-Byte 명령들을 사용 : RISC, Reduced Instruction Set Computer
→ PC는 가별 길이 명령들 사용 : CISC, Complex Instruction Set Compute

서로 다른 컴퓨터들 → 서로 다른 부호화 방식 → 이진코드는 대부분 호환성 없음

근본 개념 → 프로그램 역시 바이트의 연속 Byte Sequences

• C 함수 → 컴파일 → 기계어
  • Machine Code (Byte Representations)
    • Linux 32, Windows, Sun, Linux 64, …
    • 서로 다른 컴퓨터들은 완전히 서로 다른 명령과 인코딩 방식 사용
• 명령의 표현
  • Sun은 2, 4-Byte Instructions 사용
  • PC는 길이가 1, 2, 3-Byte들을 갖는 명령들 사용
    • Windows / Linux는 완전한 바이너리 호환성 Binary Compatibility 을 제공 못함

2.1.6 불 대수 - Boolean Algebra

• 논리의 대수적 표현
  • True = 1, False = 0 으로 부호화
  • 집합 { 0, 1 } 에 대해서 정의

Bit Wise Operate

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@ 221015

show_bytes 실행 예제

int a = 15213;
printf("int a = 15213;\n");
show_bytes((pointer) &a, sizeof(int));

int a = 15213;
0x11ffffcb8 0x6d → 0110 1101
0x11ffffcb9 0x3b → 0011 1011
0x11ffffcba 0x00
0x11ffffcbb 0x00

@ 221021

2.2 정수의 표현

2.2.1 C 정수 표현

• 여러 정수형 데이터 타입 지원
• 부호 없는 정수, unsigned 수식어
• 부호 있는 정우, Signed number representations
  • 비 대칭 범위를 가짐
  • 음수 범위가 양수범위보다 1 큼
  • 2의 보수(부호형) 인코딩
    • 부호 비트, 0 양수, 1 음수
  • 부호 여부에 따른 인코딩
    • 양수는 부호 여부 관계없이 똑같음
    • 음수는 부호 여부에 따라 다름

2.2.2 C 정수 변환, 캐스팅

• 비부호형과 부호형 간의 변환 Castings
  • T2B → B2U, B2U → T2B
  • 비트 패턴은 유지됨
  • 양수는 불변 (부호 여부 관계없이 똑같으니까)
  • 음수는 큰 양수 값으로 변화, (비부호형의 최대값 + 1 = 2^비트수)만큼의 변화
  • (int) or (unsigned)
• 상수 값 뒤에 U 접미사 붙이면 Unsigned
• 단일 수식(비교 연산 포함)에 부호형 비부호형 혼합시, 묵시적으로 부호형 비부호형으로 변환

2.2.3 C 확장, 절삭

• Zero Extension, 비부호 정수에 0 복제하여 확장하기
• Sign Extension, 부호 정수에 부호비트(MSB) 복제하여 확장하기

• 작은 정수 데이터 형에서 큰 데이터 형으로 변활할 때 수행

• 숫자 절삭으로 값이 변경될 수 있음 → 오버플로의 형태
• 비부호 숫자 x에 대하여, x를 k 비트 만큼 절삭 = x mod 2^k
• 부호 숫자, mod와 유사하게

2.3 정수산술연산

• 실제 합 w+1 bits 요구됨

• 비부호형 덧셈
  • Carry 출력 무시 → Modular
• 부호형 덧셈
  • MSB 버림, 나머지 비트들은 2의보수로서 정수를 다룸
  • 양수 음수 오버플로 시 +- 2^(w-1)
• 2의 보수 반전 (보수 & 증가)
  • ~x + 1 == -x (덧셈의 역원 additive inverse = 0)
  • ~x + x == 1… == -1
  • 0
  • ~0 = 1… == -1
  • ~0 + 1 = 0… == 0
• 곱셈
  • 비부호형 : 2w까지 필요
    • i.e. 111 * 111 = 110001
  • 부호형
    • 최솟값(음수) : 2w-1
      • i.e. 100 * 011 = 001100
    • 최댓값(양수) : 2w (최솟값)^2 인 경우에만
      • i.e. 100 * 100 = 010000
  • 비부호, 실제곱 2*w, 상위 w 비트 무시, 모듈러 연산 적용됨
  • 부호, 실제곱 2*w, 상위 w 비트 무시, 비부호 결과와 하위 비트들은 동일
  • 상수를 사용한 곱셈
    • u « k = u * 2^k
    • u « 3 = u * 8
    • u « 5 - u « 3 = u * 24
    • 대부분 쉬프트와 덧셈이 곱셈보다 빠름
      • 컴파일러가 곱셈을 쉬프트 연산 코드로 자동 생성

int mul12(int x)
{
	return x * 12;

	// 아래와 같이 컴파일 된다
	__asm
	{
		leal (&eax, %eax, 2), %eax
		sall $2, %eax
	}

	// 아래와 같은 의미
	// t ← x + x * 2
	// return t << 2
}

• 2의 거듭제곱 나눗셈
  • 결과 내림
    • i.e. 3.14 = 3, -3.14 = -4
• Modular 산술 연산 형태로 수행
  • 워드의 길이가 유한
  • 가능한 값의 범위가 제한
  • 연산 결과과 Overflow일수도 잇음
• 비부호형과 부호형(2의보수 방식)
  • 동일한 비트패턴을 가짐

💫 3 프로그램의 컴퓨터 수준 표현1 : 기초

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• 개요
• 역사적 관심
• 프로그램의 인코딩
• 데이터 형식
• 정보의 접근

🫧 3.0 개요

• 인텔 x86 프로세서
  • 랩탑/데스크탑/서버 시장을 완전 장악
  • 프로세서 설계의 진화
    • 1978 소개된 8086까지의 역 호환성 제공
    • 시간의 흐름에 따라 더 많은 특징이 추가됨
  • CISC 구조 (Complex Instruction Set Computer)
    • 서로 다른 형식을 갖는 많은 명령들을 가짐
    • RISC의 성능과 차이 (Reduced Instruction Set Computers)
      • 인텔은 성능을 높이고 있다, 속도에 의함, 저전력

무어의 법칙

🫧 3.1 역사적 관심

• Name, Date, Transistors, MHz
  • 8086, 1978, 29K, 5~10
    • 최초 16비트 프로세서, IBM PC & DOS의 기초
    • 1MB 주소공간
  • 386, 1985, 275K, 16-33
    • 최초 32비트 프로세서 (IA32)
    • 유닉스 실행 가능한 “Flat Addressing” (선형주소) 모델 추가
  • Pentium 4E, 2004, 124M, 2800-3800
    • 최초 64비트 프로세서 (x86-64)
  • Core2, 2006, 291M, 1060-3500
    • 최초 다중 코어 인텔 프로세서
  • Core i7, 2008,, 781M, 1700-3900
    • 4 코어

인텔의 Hyper-Threading 기법

Dual-Core Processor, 인텔 x86 프로세서
@ 사진

• x86 호환 기종 (Clones) : Advanced Micro Devices (AMD)
  • 역사적으로
    • AMD는 인텔의 후발주자, 좀 느리나 저렴
  • 그 후,
    • DEC (Digital Equipment Corp.) 에서 정상급 회로 설계자 영입
    • 다른 회사 (ATI 등)들을 합병
    • Opteron 구축: Pentium 4에 강한 경쟁자로 부상
    • 자신들의 64비트 확장인 x86-64를 개발

@ QuadCore Opteron

• Intel의 64 bit
  • 2001, IA32에서 IA64로 근본적 변화 시도
    • 전체적으로 과거와 다른 구조 Itanium
    • IA32는 구형 코들만 실행됨 (상위 호환성 유지)
    • 성능은 실망적
  • 2003, AMD는 발전 방안에 참여
    • x86-64 (Now called “AMD64”)
  • Intel은 IA64에 주안점을 둠
    • Hard to admit mistake or that AMD is better
  • 2004, 인텔은 IA32의 확장인 EM64T를 발표
    • Extended Memory 64-bit Technology
    • Almost identical to x86-64
  • All but low-end x86 processors support x86-64
    • But, lots of code stll runs in 32-bit mode

🫧 3.2 프로그램의 인코딩

• 정의
  • Architecture (Also ISA : Instruction set Architecture)
    • 어셈블리/기계어 코드 작성 또는 이해에 필요한 프로세서 설계 부분
    • 예 : 명령어 집합 명세, 레지스터
  • Microarchitecture : implementation of the architecture
    • ISA가 프로세스 상에 구현되는 방법
    • 예 : 캐쉬 크기와 코아 주파수
  • 코드 형태
    • 기계코드 : 프로세서가 실행하는 바이트 수준 프로그램
    • 어셈블리 코드 : 기계코드의 텍스트 버전
  • Example ISAs (intel)
    • 인텔 : x86, IA32, Itanium, x86-64
    • ARM :거의 모든 이동전화에서 사용
• 어셈블리/기계코드 관점
  • 프로그래머가 볼 수 있느 상태
    • PC Program Counter 프로그램 카운터
      • 다음에 실행할 명령의 주소
      • IEP 라 칭함 (IA32) or RIP (x86-64)
    • 정수 레지스터 파일
      • 빈번히 사용되는 프로그램 데이터 저장
    • 조건코드 레지스터
      • 최근의 산술연사에 대한 상태정보 저장
      • 조건 분기를 위하여 사용됨 (진리값)
    • 메모리
      • Byte로 주소화된 배열
      • 코드와 사용자 데이터
      • 프로시저를 지원하는 스택
• C를 목적코드로 전환
  • i.e. p1.c p2.c
  • gcc -Og p1.c p2.c -o p
  • -o : 출력 파일명을 지정
  • -Og 기본적인 최적화 옵션 (new to recent ver of GGCC)
  • 파일 p에 결과 이진 파일 저장

text : C Program (p1.c, p2.c) (-S : ~.s 어셈블리 파일 생성)
Compiler (gcc -Og -S)
text : Asm program (p1.s, p2.s)
Assembler (gcc or as)
binary : Object Program (p1.o, p2.o)
Linker (gcc or ld), With Static Livraries (.a, .lib in windows)
binary : Executable Progam (p)

• 어셈블리의 특성 : Data Types
  • 1,2,4, 8 바이트의 정수형 데이터
    • 데이터 갑
    • 주소 (미형식 포인터)
  • 부동소수점 데이터는 4,8,10 Bytes
  • 코드
    • 일련의 명령들을 인코딩하는 바이트 순서들
  • 집합체 (Aggregate: 배열, 구조체) 형식 없음
    • 다만 메모리에 연속으로 바이트들을 할당
• 어셈블리 특성 : 연산
  • ALU에서 연산을 하려면 데이터가 필요
  • 레지스터 데이터나 메모리 데이터에서 데이터를 읽어 산술 함수 수행
  • 메모리와 레지스터 사이에 데이터 전송
    • 메모리에서 레지스터(CPU)로 데이터 이동 - Load (사이에 Bus)
    • 레지스터(CPU) 데이터를 메모리에 저장 - Store (사이에 Bus)
  • 전송 제어 Transfer Control
    • 프로시저까지 또는 프로시저에서 무조건 점프/무조건 분기 - to/from procecures, Like goto
    • 조건분기 Conditional Branch, Like if else

요즘 프로그래밍 언어 스트럭쳐드 프로그래밍
goto가 없음

근데 어셈블리는 있다

gcc -o temp.c 실행 가능 목적 파일 (실행파일, object, 링크까지 끝난)
gcc -c temp.c 재배치 가능 목적 파일 (목적파일, 링크는 없는 그냥 목적 파일)

• 목적 코드 생성
  • Linux, gcc -Og -c temp.c
  • -c 옵션
    • as에 의한 어셈블까지만 수행
    • 링크는 미수행
  • temp.o 파일 산출
  • n바이트 안에 temp 목적코드 내장 (해보니까 n바이트라는 뜻)
• 목적코드
  • 어셈블러 (Assembler)
    • .s를 .o로 번역
    • 명령어 각각을 이진 인코딩
    • 거의 완벽한 실행 코드
    • 다른 파일들과의 코드 연결 (linkages)은 빠짐
  • 링커 (Linker)
    • 파일들 사이의 참조를 해결
    • 정적 런타임 라이브러리와 조합 (i.e. code for malloc, printf)
    • 일부 라이브러리들은 동적으로 연결 (Dynamically Linked), 프로그램 실행 시 링킹 발생
• 목적코드의 역 어셈블
  • Disassembled
  • Disassembler
    • objdump -d temp.o
    • 목적코드 조사에 유용한 도구
    • 일련의 명령들 비트 패턴을 분석
    • 어셈블리 코드와 유사한 해석 산출
    • a.out(complete executable) 이나 .o파일을 실행할 수 있음
• 역어셈블의 다른 방법
  • Within gdb Debugger
  • gdb temp
  • disassemble temp
    • Disassemble procedure
  • x/nxb sumstore
    • Examine the n bytes starting at temp
• 역어셈블 할 수 있는 것은?
  • 실행코드로 번역될 수 있는 것
  • 역어셈블리는 바이트를 조사하고 어셈블리 소스를 재구성
  • Reverse engineeering forbidden by MS End User License Agrement

🫧 3.3 데이터 형식

• 데이터 형식
  • @@ bit byte word, word 기원
  • GAS (GNU 어셈블러)에서 “/”을 붙이는 데 문제 없음
    • FP도 “/”을 붙임
    • 왜냐하면, FP(부동소수점)는 정수와 다른 연산과 레지스터를 가짐

x86-64 c 데이터 형식 크기 (C, 인텔데이터 형식, 어셈블리-코드 접미사, 크기)

🫧 3.4 정보의 접근

@@ 메모리 주소 모드

💫 _

---

*dest = t;
movq %rax, (%rbs)
0x40059e: 48 89 03

C Code
dest가 지정한 곳에 값 t를 저장

Assembly Code

8 바이트 값을 메모리로 이동

x86-64 용어로 Quad words
Operands t: 레지스터 %rax dest: 레지스터 %rbx *dest: 메모리 M[%rbx]

r = register

Object Code

3 바이트 명령 주소 0x40059e에 저장됨

(범용 레지스터)
64bit 16개
32bit 8개

실행 가능 파일 생성
실행파일 생성하려면 링커 필요
One object file must contain main
Combines with static run-time livraries (e.g., printf)
Some libraries are dynamically linked (i.e. at execution)